báo cáo công trình thủy văn

ðườ ng quá trình m ư a: ñồ thị thể hiện sự biến ñổi lượng mưa hay cường ñộ mưa theo thời gian gọi là ñường quá trình mưa... ðường phân thuỷ của lưu vực: là ñường nối liền các cao trình c

1.1 ðố i t ượ ng nghiên c ứ u, n ộ i dung môn

1.1 ðố i t ượ ng nghiên c ứ u, n ộ i dung môn

h ọ c, ñặ c ñ i ể m , phương ph áp nghiên c ứ u

2 N ộ i dung môn h ọ c.

Ph ầ n th ủ y v ă n:

Xác ñịnh lưu lượng TK và mực nước TK trong các TH

Phân bố lưu lượng trong các bộ phận sông

Phân bố lưu tốc tại vị trí mặt cắt tim công trình

Ph ầ n th ủ y l ự c:

ðưa ra khẩu ñộ CT, chiều cao nước dâng ở thượng lưu công trình

Xác ñịnh cao ñộ ñáy sông sau xói chung, xói cục bộ

Kiến nghị mực nước thông thuyền (sông có thuyền bè qua lại)

Xác ñịnh mực nước thiết kế nền ñường

Tính toán dự báo mực nước thi công

1.1 ðố i t ượ ng nghiên c ứ u, n ộ i dung môn

1.1 ðố i t ượ ng nghiên c ứ u, n ộ i dung môn

1.2 Các y ế u t ố khí tượ ng thu ỷ văn - Lưu vự c

1.2 Các y ế u t ố khí tượ ng thu ỷ văn - Lưu vự c

và dòng sông

Mưa

Nguyên nhân gây ra mưa chính là do hơi nước bị lạnh

Phân loại mưa: - Mưa ñịa hình - Mưa ñối lưu

Các ñặc trưng của mưa:

L ượ ng m ư a X: (mm).

C ườ ng ñộ mưa tứ c th ờ i aT: (mm/phút hay mm/giờ)

ðườ ng quá trình m ư a: ñồ thị thể hiện sự biến ñổi lượng mưa (hay

cường ñộ mưa) theo thời gian gọi là ñường quá trình mưa

1.2 Các y ế u t ố khí tượ ng thu ỷ văn - Lưu vự c

có tác dụng hứng nước cho dòng sông ở trong ñó

ðường phân thuỷ của lưu vực: là ñường nối liền các cao trình cao nhất của lưu vực, ngăn cách nó với lưu vực khác ở bên,

nước từ ñây chảy theo hai sườn dốc của hai phía vào hai lưu vực

kề nhau

1.2 Các y ế u t ố khí tượ ng thu ỷ văn - Lưu vự c

2

F

B = =

sL B

K =

1.2 Các y ế u t ố khí tượ ng thu ỷ văn - Lưu vự c

và dòng sông

b) Dòng sông.

Qua trình hình thành dòng chảy trên lưu vực:

Quá trình mưa rơi xuống.

Quá trình tổn thất do thấm, bốc hơi, ñọng lại trên ao

hồ,

Quá trình chảy trên sườn dốc.

Quá trình tập trung dòng chảy trong sông.

1.2 Các y ế u t ố khí tượ ng thu ỷ văn - Lưu vự c

F

W Y

1000

φ

1 M ự c n ướ c

ðị nh ngh ĩ a: M ực nước là cao ñộ mặt nước tại vị trí

ñó so với mặt thủy chuẩn.

h Thñy chÝ

H

MÆt thñy chuÈn

1 M ự c n ướ c

ð o ñạ c: ðo bằ ng th ủ y chí hay thướ c

ðây là phương pháp thương dùng Khi ñó mực nước tính theo công thức:

H = ∇ + h

ð i ề u tra m ự c n ướ c:

- ðiều tra tại các ñơn vị quản lý giao thông, các trạm thủy lợi.

- ðiều tra các vết lũ còn lại.

- ðiều tra bằng cách hỏi dân.

2 L ư u t ố c.

ð o ñạ c và tính toán.

TT 3

TT 2 Thñy trùc 1

2 L ư u t ố c.

Quy ñị nh ñ i ể m ñ o:

- Khi h>3m → ño 5 ñiểm tại:

m ặ t n ướ c; 0.2h; 0.6h; 0.8h và ñ áy sông.

- Khi h= 2 - 3m → ño 3 ñiểm tại :

3 L ư u l ượ ng

Ph ươ ng pháp l ư u l ượ ng b ộ ph ậ n:

n ) n ( tb 2

1 n

) n ( tb )

1 n ( tb 1

2 tb 1

tb o

1 tb 1

i

f v

k

f 2

v

v

f 2

v

v f

v k

Q Q

+

+ +

+

+ +

fo, fn - diện tích tạo bởi mép sông bên trái với thuỷ trực 1

và mép sông bên phải với thuỷ trực n

3 L ư u l ượ ng

Tính lưu lượng theo phương pháp ñồ giải

– Tính lưu lượng ñơn vị thủy trực: qi = vtbi.hi

– Vẽ quan hệ q ~ B trên mặt cắt ngang sông

– Tính lưu lượng Q chính là diện tích quan hệ q ~ B và mặt nước

q=f(B)

1

4 L ư u l ượ ng bùn cát.

ðị nh ngh ĩ a:

– Lưu lượng bùn cát là trọng lượng (khối lượng) bùn cát ñược chuyển qua một mặt cắt trong một ñơn vị thời gian.

Có 2 lo ạ i bùn cát: bùn cát lơ lửng và bùn cát ñáy.

pmax

Duong tan suat kinh nghiem

Duong tan suat ly luan

2.2 ðườ ng t ầ n su ấ t kinh nghi ệ m

( n

X

2.2 ðườ ng t ầ n su ấ t kinh nghi ệ m

( 1

n

) X X

( 1

n

) 1 K ( C

2 i

( C

).

1 n (

) 1 K (

V

3 i

V

3 i

−

−

2.2 ðườ ng t ầ n su ấ t kinh nghi ệ m

V

2.2 ðườ ng t ầ n su ấ t kinh nghi ệ m

Sắp xếp các trị số của mẫu theo TT từ lớn ñến nhỏ

Tính tần suất tích luỹ theo các công thức kinh nghiệm

Biểu diễn quan hệ Biến cố và tần suất tích luỹ trên giấy tần suất

sẽ ñược ñường tần suất kinh nghiệm

% 100 5 0

n

m

P = −

% 100

1

+

=

n

m P

% 100

4 0

3

% 100

2 0

3

VD tính các tham s ố th ố ng kê và v ẽ ñườ ng t ầ n su ấ t kinh nghi ệ m tr ạ m sông Lô.

9722008

3502007

7672006

5362005

5032004

7762003

5702002

6172001

4912000

Q (m3/s)Năm

K ế t qu ả tính

0.110 0.735

5582 Tổng

-0.08270.1898

-0.43570.5643

90350

9722008

9

-0.00900.0434

-0.20830.7917

80491

3502007

8

-0.00680.0357

-0.18900.8110

70503

7672006

7

-0.00250.0184

-0.13580.8642

60536

5362005

6

-0.00050.0066

-0.08100.9190

50570

5032004

5

0.00000.0000

-0.00520.9948

40617

7762003

4

0.01330.0560

0.23671.2367

30767

5702002

3

0.01580.0631

0.25121.2512

20776

6172001

2

0.18250.3217

0.56721.5672

10972

4912000

1

(Ki-1)3

(Ki-1)2

(Ki-1)Ki

P %

Q giảm

Q (m3/s)Năm

Qtb =

ðườ ng t ầ n su ấ t kinh nghi ệ m

FFC 2008 © Nghiem Tien Lam

2.3 Mô hình phân ph ố i xác su ấ t th ườ ng

1 Hàm Pearson III (PIII).

2 Hàm Loga - Pearson III (Log-PIII).

2.3 Mô hình phân ph ố i xác su ấ t th ườ ng

1 Hàm Pearson III.

Qua thống kê nhiều tài liệu Pearson ñã ñưa ra ñiều kiện thành

lập họ ñường cong mật ñộ xác suất như sau:

Tại vị trí hội tụ (số ñông), hệ số góc của ñường cong bằng 0

Hai ñầu hoặc một ñầu ñường cong nhận trục hoành làm ñường

tiệm cận

Từ ñó ông ñưa ra phương trình vi phân của họ ñường phân bố

mật ñộ tần suất dạng tổng quát:

) 1 3 ( x

b x b b

y ).

d x ( dx

dy

2 2 1

o

− +

1 Hàm Pearson III.

Giải phương trình 3-1 trong trường hợp b2 = 0 ñược hàm PearsonIII (PIII):

) 2 3 ( e

a

x 1 y

x d a

trị x = x0 còn ñầu phải ñường cong dần ra vô cùng (không có

xmax)

4 2

2 4

C

S S

o

C

e C

C

C y

1 Hàm Pearson III.

trong ñó:

Г(4/CS2) - gọi là hàm gamma ñã ñược tính sẵn bởi Foster

và Rubkin

Xây dựng ñường tần suất lý luận theo hàm PIII:

Bước 1: Xây dựng ñường tần suất kinh nghiệm

Bước 2: Tính các tham số thống kê: Xtb, CV, CS

Bước 3:

- Kiểm tra bất ñẳng thức kép:

- Nếu bất ñẳng thức kép thỏa mãn thì từ (CS và P%) tra bảng 2-1 (Phụ lục 3-1) ñược Φ và tính ñược XP% theo bảng sau:

min

1

2 2

K

C C

C V s V

−

≤

≤

1 Hàm Pearson III.

Bước 4: Từ (P% và XP) vẽ ñược ñường tần suất lý luận (là một

ñường cong trơn) trên cùng ñồ thị với ñường tần suất kinh nghiệm

Ví d ụ tính theo PIII

870960

10221143

13781590

QP = KP.Qtb

04.155.1

56.148.1

22.265.2

KP= (Φ.CV+1)

1.331.81

2.142.78

4.035.16

Φ

105

31

0.10.01

P%

2.3 Mô hình phân ph ố i xác su ấ t th ườ ng

2 Hàm Loga-Pearson 3.

Hàm này tương tự như hàm PIII, nhưng không sử dụng trực

tiếp các trị số thủy văn mà dùng trị số logarit của nó và ñưa vào tính toán theo PIII Khi ñó các tham số thống kê tương ứng là:

1 n

) X log X

(log i 2

X log

3 i

S

) )(

2 n

)(

1 n (

) X log X

(log

n C

2 Hàm Loga-Pearson 3.

Từ ñó xác ñịnh trị số XP ñối với chu kỳ khác nhau:

X log

X log = + σ

Yếu tố thể hiện chu kỳ K ñược xác ñịnh theo bảng 2-2 (bảng 2) tương ứng với hệ số lệch CS và chu kỳ T năm hay P% tương

3-ứng

VD tính ñườ ng t ầ n su ấ t theo LogPIII

-0.0009 0.1389

24.97 Tổng

0.00960.0453

0.21272.988

9722008

9

-0.01230.0533

-0.23092.544

3502007

8

0.00130.0121

0.10992.885

7672006

7

-0.00010.0021

-0.04582.729

5362005

6

-0.00040.0054

-0.07342.702

5032004

5

0.00150.0132

0.11492.89

7762003

4

0.00000.0004

-0.01912.756

5702002

3

0.00000.0002

0.01542.79

6172001

2

-0.00060.0070

-0.08382.691

4912000

1

(logQ-logQtb) 3 (logQ-logQtb) 2

(logQ-logQtb) logQ

Q (m3/s) Năm

TT

VD tính ñườ ng t ầ n su ấ t theo LogPIII

1264.801179.53

1092.701002.48

875.58Qp

3.103.07

3.043.00

2.94logQp

2.4822.252

21.716

1.27K

0.51

24

10P%

2.3 Mô hình phân ph ố i xác su ấ t th ườ ng

Hai tác giả Kritsky và Menkel sau khi phân tích nhiều số liệu thuỷ văn

ñã ñưa ra nhận xét:

ðường cong PIII tương ñối phù hợp với các tài liệu thực ño, song nó

bị giới hạn bởi ñiều kiện CS < CV thì các ñặc trưng thuỷ văn rơi vào khu vực âm và không còn phù hợp Do vậy tác giả ñã ñưa ra ñiều

kiện ñể xây dựng một ñường phân bố mật ñộ mới:

Có thể dùng 3 tham số Xtb, CV, CS ñể tính toán

Chỉ có một số ñông

Trị số của biến ngẫu nhiên có thể thay ñổi trong phạm vi 0≤X ≤∞

3 Hàm Kritsky - Menkel (K-M) hay Gamma 3 thông s ố

Vì khi CS = 2CV thì ñường PIII hoàn toàn thoả mãn các ñiều

kiện trên nên hai ông ñã lấy dạng hàm số của ñường PIII với

− α

αα Γ

α

x b

b a

1

) ( dx

dP

b / 1

3 Hàm Kritsky - Menkel (K-M) hay Gamma 3 thông s ố

Xây dựng ñường tần suất lý luận theo hàm K-M:

Bước 1, 2: Như hàm PIII

VD tính ñườ ng t ầ n su ấ t lý lu ậ n theo K-M

868.3955.1

1017.2

1135.0

1358.31556.8

Qp = Kp.Qtb

1.41.54

1.641.83

2.192.51

KP

105

31

0,10,01

P% (K-M)

870960

1022

1143

13781590

QP = KP.Qtb

04.155.1

56.148.1

22.265.2

KP= (Φ.CV+1)

1.331.81

2.142.78

4.035.16

Φ

105

31

0.10.01

P% (PIII)

1264.80

1179.53

1092.701002.48

875.58

Qp

3.103.07

3.043.00

2.94logQp

2.4822.252

21.716

1.27K

0.51

24

10P% (logPIII)

Ch
 ng III: Tính l ư u l ượ ng

thi ế t k ế t ừ mưa r ào

3.1 Các gi ả thi ế t và mô hình dòng ch ả y

3.2 M ộ t s ố công th ứ c xác ñị nh l ư u l ượ ng l ũ thi ế t k ế

3.1 Các gi ả thi ế t và mô hình dòng

ðể thiết lập các công thức tính lưu lượng ñỉnh lũ thiết kế cho ñơn

giản, thuận tiện người ta ñưa ra các giả thiết:

Mưa ñồng thời trên toàn bộ lưu vực

Cường ñộ mưa không ñổi trong suốt trận mưa

ðất bão hoà nước từ trận mưa trước

Cường ñộ thấm coi như ñồng ñều trên toàn bộ lưu vực

Lớp nước mặt coi như không bị cản trở cho phép lưu lượng xảy ra nhanh nhất, lớn nhất và bất lợi nhất

Lưu vực hình thành do 2 mặt phẳng nghiêng và lòng sông là giao tuyến 2 mặt phẳng nghiêng ñó

ðộ dốc thuỷ lực coi như ñồng ñều suốt chiều dài sông và bằng ñộ

dốc trung bình ñáy các sông suối ñó

Thời gian mưa tạo ra dòng chảy là thời gian mưa quá thấm T C = 5τ;

(τ là thời gian tập trung dòng chảy)

Lượng mưa cấp nước trong từng ñơn vị thời gian là h 1 , h 2 , h 3 , h 4

Lưu vực có cùng ñộ dốc, ñộ nhám và ñược chia thành nhiều mảnh

nhỏ từ vị trí công trình ñến nguồn sông bằng các ñường ñẳng thời

Thời gian tập trung nước giữa các ñường ñẳng thời kế tiếp nhau cócùng một ñơn vị thời gian cố ñịnh τ0 = τ/n (n=10-20) và τ = L s /v

2 Mô hình toán dòng ch ả y

S ự thay ñổ i l ư u l ượ ng t ạ i v ị trí CT theo th ứ t ự th ờ i gian nh ư sau:

Sau thời ñoạn ñầu tiên (τ0) toàn bộ diện tích lưu vực F= Σf phủ lớp

cấp nước h 1, song chỉ có lượng h 1 ở f 1 chảy qua vị trí công trình

Q1=h1.f1, các h1 ở diện tích phía trên tiến dần về phía công trình

Thời ñoạn mưa thứ 5 (5τ0) lượng cấp nước h5 phủ trên toàn lưu

vực, lượng cấp nước h 1 ở thời ñoạn τ0 ñã qua cửa ra, do ñó:

Q5= h 2 f 4 + h 3 f 3 +h 4 f 2 + h 5 f 1

f4 f3 f2 f1

2 Mô hình toán dòng ch ả y

Mưa cấp nước ngừng, song lượng mưa của các thời ñoạn

trước còn tiếp tục chảy qua cửa ra cho tới lúc h 5 phủ trên f 4 qua ñược cửa ra thì ngừng chảy Như vậy: Q6= h 3 f 4 + h 4 f 3 +h 5 f 2;

Q7= h 4 f 4 + h 5 f 3; Q8= h 5 f 4; Q9= 0;

Vẽ ñường thay ñổi lưu lượng từ Q1 ñến Q8 theo τ sẽ ñược

ñường quá trình lũ do mưa cấp nước

Th ự c t ế quá trình hình thành dòng ch ả y l ũ là m ộ t quá trình

ph ứ c t ạ p ph ụ thu ộ c vào nhi ề u y ế u t ố như :

+ M ư a phân b ố không ñề u theo th ờ i gian.

+ Ph ụ thu ộ c hình d ạ ng ñị a hình, ñị a m ạ o, ñị a ch ấ t, th ả m

th ự c v ậ t… không gi ố ng nh ư gi ả thi ế t.

f4 f3 f2 f1

2 Mô hình toán dòng ch ả y

b- Hình thành mô ñ un dòng ch  y l  n nh  t.

1 Công thức cường ñộ giới hạn (Tiêu chuẩn 22 TCN 220-95).

A P: mô ñuyn dòng chảy ñỉnh lũ ứng với tần suất thiết kế, xác

ñịnh (theo phụ lục 4-4), tuỳ thuộc vào ñặc trưng ñịa mạo thuỷ

văn của lòng sông φls , thời gian tập trung dòng chảy trên sườn

ls

H F J

1 Công thức cường ñộ giới hạn (Tiêu chuẩn 22 TCN 220-95).

Xác ñị nh th ờ i gian t ậ p trung n ướ c trên s ườ n d ố c τsd :Thời gian

tập trung nước trên sườn dốc τsd xác ñịnh (theo phụ lục 4-3),

phụ thuộc vào hệ số ñịa mạo thuỷ văn của sườn dốc ϕsd vàvùng mưa

6 , 0 sd sd

H J

m

) L 1000

(

ϕ

= φ

( L l )

8 , 1

F

Lsd

Σ +

=

( L l )

9 , 0

F

Lsd

Σ +

=

1 Công thức cường ñộ giới hạn (Tiêu chuẩn 22 TCN 220-95).

trong ñó:

L: chiều dài lòng chính, km;

Σ l : tổng chiều dài các sông nhánh trên lưu vực, km;

m sd: hệ số nhám sườn dốc, phụ thuộc vào ñặc ñiểm bề mặt

sườn lưu vực xác ñịnh theo bảng 3.5 (PL4-6);

J sd: ñộ dốc sườn dốc tính theo 0/00;

3.2 M ộ t s ố công th ứ c xác ñị nh l ư u

2 Công th ứ c c ườ ng ñộ gi ớ i h ạ n ( ðạ i h ọ c Xây d ự ng Hà N ộ i).

ðối với các lưu vực nhỏ F ≤ 30 km2, thời gian tập trung nước nhanh, lưu lượng tính toán xác ñịnh theo lượng mưa ngày sẽ

kém chính xác Có thể xác ñịnh lưu lượng thiết kế dựa vào công thức tính toán có dạng sau ñây:

α: hệ số xác ñịnh theo bảng:

) 2 3 ( F

a 67 , 16

QP = × P × × δ × ϕ × α −

0,16 0,14 0,12 0,08 0,05

300 500 1000 10000 100000

0,40 0,33 0,31 0,27 0,24 0,22

6,0 10 15 30 50 60

0,63 0,62 0,53 0,50 0,47 0,41

0,5 0,6 1,0 2,0 3,0 4,0

0,98 0,91 0,86 0,81 0,75 0,69

0,0001 0,001 0,005 0,01 0,05 0,10

2 Công th ứ c c ườ ng ñộ gi ớ i h ạ n ( ðạ i h ọ c Xây d ự ng Hà N ộ i).

a P: cường ñộ mưa tính toán tính bằng mm/ph:

tc - thời gian hình thành dòng chảy theo công thức sau:

ðại lượng 18,6/f(Isd0,4) xác ñịnh theo bảng:

ψ: toạ ñộ ñường cong mưa xác ñịnh theo phụ lục 4-11

7,6 8,2

10,8 11,4

12,0 13,3

14,7 15,2

15,4

18,6/f(I sd 0,4 )

800 400

100 80

60 30

10 5

2

Isd%

c

P P

4 , 0 sd

4 , 0 sd c

) m 100 ).(

I ( f

L 6 , 18

t =

F

100 q

n 100

3.2 M ộ t s ố công th ứ c xác ñị nh

trong ñó:

Q ng: lưu lượng nước trong sông trước khi có lũ, có thể lấy bằng

lưu lượng nước bình quân nhiều năm ñối với lưu vực lớn, hoặc

có thể bỏ qua ñối với lưu vực nhỏ;

f: hệ số hình dạng lũ, ở sông không có bãi f=1,20; sông có bãi

thoát ñược dưới 25% Q thì f=1,0; sông có bãi thoát ñược trên

f

t

H H

278 ,

0

l

0 T

25 0,64

Lưu vùc cịc sềng đăng Nai, sềng BĐ

11

21 0,76

Lưu vùc cịc sềng Sế San vộ sềng Srếpèk

10

16 0,86

Lưu vùc cịc sềng tõ Thu Băn - sềng Cịi

9

21 0,92

Lưu vùc cịc sềng tõ sềng Chu - sềng Hưểng

8

15 0,89

Lưu vùc cịc sềng Quảng Ninh

7

19 0,86

Lưu vùc sềng Kú Cỉng, sềng Lôc Nam

6

22 0,77

Lưu vùc sềng Cẵu, sềng Thưểng, sềng Trung, sềng BỪng

Giang, Bớc Giang.

5

26 0,66

Sềng Gẹm, hỰ lưu sềng Lề, sềng Phã địy

4

20 0,82

Cịc lưu vùc thưĩng nguăn sềng Lề, sềng Chảy

3

22 0,81

Lưu vùc sềng độ, sềng Thao

2

20 0,65

4 Công th ứ c Xôkôl ố pxki.

t l: thời gian lũ lên, theo ñề nghị của Xôkôlốpxki lấy bằng thời gian tập trung dòng chảy trong sông Khi không có tài liệu mưa

( v 6 , 3

L t

tb

4 Công th ứ c Xôkôl ố pxki.

( F K 1

H

T

T ,'

T

+

=

Xác ñịnh lưu lượng và mực nước lũ thiết kế, ñường quá trình lũ

thiết kế thay ñổi theo thời gian, các mực nước thông thuyền, thi công, mực nước thấp nhất và thời gian kéo dài cấp mực nước

ñã nêu

b) Phân tích th ủ y l ự c:

Xây dựng quan hệ lưu lượng và mực nước

Xác ñịnh phân phối dòng chảy và phân phối tốc ñộ

2 Nhi ệ m v ụ thi ế t k ế

Các yêu c ầ u b ắ t bu ộ c ñố i v ớ i thi ế t k ế TL công trình v
ợ t sông:

Nước dâng không làm tăng ñáng kể tác hại của lũ ñến tài sản, nhà

cửa, ruộng vườn, các CT xây dựng ven sông phía thượng lưu cầu

Tốc ñộ dòng chảy dưới cầu không gây hại cho cầu, ñường và tài

sản, nhà cửa công trình phía hạ lưu

Duy trì phân phối lưu lượng trong phạm vi thực tế

Sự tập trung dòng chảy do diện tích trụ, mố chiếm chỗ ít ảnh

hưởng ñến dòng chảy bình thường và giảm thiểu tiềm ẩn xói lở

Thiết kế móng trụ, mố hạn chế xói lở gây sập cầu

ðủ tĩnh không thông thuyền và cây trôi mũa lũ

Tác ñộng xấu ít nhất ñến hệ sinh thái lòng và bãi sông

Chi phí xây dựng, duy tu bảo dưỡng khai thác sửa chữa ñược ñảm

bảo về mặt pháp lý